光纤通信课件第三章
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24
3.1.2 半导体激光器
光纤通信
随着驱动电流的增加,纵模模数逐渐减少,谱线宽度变窄.当 驱动电流足够大时,多纵模变为单纵模,这种激光器称为静态单纵 模激光器. 普通激光器工作在直流或低码速情况下,它具有良好的单纵模 谱线,所对应的光谱只有一根谱线,如图3-8(a)所示.而在高码 3-8 a 速调制情况下,其线谱呈现多纵模谱线.如图3-8(b)所示. 一般,用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器, 要得到高速数字调制的动态单纵模激光器,必须改变激光器的结构, 例如分布反馈半导体激光器(DFB-LD).
21
3.1.2 半导体激光器
2.半导体激光器的工作特性
(1)发射波长
光纤通信
半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释 放出的能量,这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV),由式(3-1)得
hf = Eg (3-5) c f 式中, = ,f (Hz)和λ(m)分别为发射光的频率和波长, λ c=3×108m/s, h=6.628×1034 Js,leV=1.60×1019 J为电子伏
图3-6 典型半导体激光器的输出特性曲线
23
3.1.2 半导体激光器
(3)光谱特性
光纤通信
LD的光谱随着激励电流的变化而变化.当I<Ith时,发出的是荧 光,光谱很宽,如图3-7(a)所示.当I> Ith后,发射光谱突然变 窄,谱线中心强度急剧增加,表明发出激光,如图3-7(b)所示.
图3-7 GaAlAs-GaAs激光器的光谱
25
3.1.2 半导体激光器
光纤通信
图3-8 GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱
26
3.1.2 半导体激光器
(4)转换效率
光纤通信
半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率ηd表示, 其定义为激光器达到阈值后,输出光子数的增量与注入电子数的增 量之比,其表达式为 ( P Pth ) / hf P Pth e ηd = = ( I I th ) / e I I th hf 由此得
率,人们将这些光量子称为光子. 当光与物质相互作用时,光子的能量作为一个整体被吸收或 发射.
5
3.1.1 激光器的工作原理
(2)原子能级 有不同稳定状态的能级.
光纤通信
物质是由原子组成,而原子是由原子核和核外电子构成.原子 最低的能级E1 称为基态,能量比基态大的所有其他能级E
i
(i=2,3,4,…)都称为激发态.当电子从较高能级E2跃迁至较 低能级E1时,其能级间的能量差为E =E2E1,并以光子的形式释 放出来,这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式 E = E 2 E1 = hf 12 式中,h为普朗克常数,f 12 为吸收或辐射的光子频率. 当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量E =hf12的光照射时, 该能量被吸收,使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去. 光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象.
16
3.1.2 半导体激光器
(LD),对LD的要求如下.
光纤通信
用半导体材料作为工作物质的激光器,称为半导体激光器 ① 光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口(即 0.85m,1.31m和1.55m). ② 能够在室温下长时间连续工作,并能提供足够的光输出功率. 目前LD的尾纤输出功率可达500W～2mW;LED的尾纤输出功率 可达10W左右. ③ 与光纤耦合效率高. ④ 光源的谱线宽度要窄.较好的LD的谱线宽度可达到0.1nm. ⑤ 寿命长,工作稳定.
光纤通信
第3章 通信用光器件
1
第3章 通信用光器件
本章内容,重点和难点
本章内容 光源:半导体激光器和发光二极管. 光电检测器:PIN和APD光电二极管.
光纤通信
无源光器件:光连接器,光衰减器,光耦合器和光开关等. 本章重点 激光器的工作原理. 光源和光电检测器工作原理及其工作特性. 无源光器件的功能及主要性能. 本章难点 发光机理.
13
3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
图3-3 激光器示意图
14
3.1.1 激光器的工作原理
③ 光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为L,则谐振腔的谐振条件为
λ=
2nL q
= cq 2nL
光纤通信
(3-2) (3-3)
或
f =
c
λ
式中,c为光在真空中的速度,λ为激光波长,n为激活物质的折 射率,L为光学谐振腔的腔长,q=1,2,3…称为纵模模数. 谐振腔只对满足式(3-2)的光波波长或式(3-3)的光波频率 提供正反馈,使之在腔中互相加强产生谐振形成激光.
2
第3章 通信用光器件
学习本章目的和要求
了解半导体激光器的物理基础.
光纤通信
掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性. 熟悉光源的驱动电路工作原理. 掌握光电检测器的工作原理及特性. 掌握无源光器件的功能及主要性能.
3
3.1 光源
成光信号送入光纤.
光纤通信
光源器件:光纤通信设备的核心,其作用是将电信号转换 光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光 二极管两种. 半导体激光器(LD):适用于长距离大容量的光纤通信系 统.尤其是单纵模半导体激光器,在高速率,大容量的数字光 纤通信系统中得到广泛应用. 发光二极管(LED):适用于短距离,低码速的数字光纤 通信系统,或者是模拟光纤通信系统.其制造工艺简单,成本 低,可靠性好.
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3.1.1 激光器的工作原理
④ 起振的阈值条件
光纤通信
激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件.如 以G th表示阈值增益系数,则起振的阈值条件是
1 1 Gth = α + ln 2 L r1r 2
(3-4)
α为光学谐振腔内激活物质的损耗系数,L为光学谐振腔的腔长, r1,r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数.
10
3.1.1 激光器的工作原理
(2)泵浦源
光纤通信
使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源,称为泵浦源. 物质在泵浦源的作用下,使得N2>N1,从而受激辐射大于受激 吸收,有光的放大作用.这时的工作物质已被激活,成为激活物质 或增益物质. (3)光学谐振腔 激活物质只能使光放大,只有把激活物质置于光学谐振腔中, 以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择,才能获得连续的 光放大和激光振荡输出. 激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件.
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3.1.2 半导体激光器
1.半导体激光器的基本结构和工作原理
光纤通信
有两种方式构成的激光器:F-P腔激光器和分布反馈型(DFB) 激光器.F-P腔激光器从结构上可分为3种,如图3-4所示.
图3-4 半导体激光器的结构示意图
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3.1.2 半导体激光器
(1)同质结半导体激光器. 其核心部分是一个P-N结,由结区发出激光.
光纤通信
缺点是阈值电流高,且不能在室温下连续工作,不能实用. (2)异质半导体激光器 异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种. 异质半导体激光器的"结"是由不同的半导体材料制成的,目 的是降低阈值电流,提高效率. 特点是对电子和光子产生限制作用,减少了注入电流,增加了 发光强度. 目前,光纤通信用的激光器大多采用如图3-5所示的铟镓砷磷 (InGaAsP)双异质结条形激光器.
特,代入式(3-5)得
1.24 λ= (m) (3-6) Eg (eV) 由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关,因此根据这个原
理可以制成不同发射波长的激光器.
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3.1.2 半导体激光器
(2)阈值特性
光纤通信
对于LD,当外加正向电流达到某一数值时,输出光功率急 剧增加,这时将产生激光振荡,这个电流称为阈值电流,用Ith 表示.如图3-6所示.阈值电流越小越好.
图3-2 光学谐振腔的结构
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② 谐振腔产生激光振荡过程 如图3-3所示,当工作物质在泵浦源的作用下,已实现粒子数反 转分布,即可产生自发辐射.如果自发辐射的方向不与光学谐振腔 轴线平行,就被反射出谐振腔.只有与谐振腔轴线平行的自发辐射 才能存在,继续前进. 当它遇到一个高能级上的粒子时,将使之感应产生受激跃迁, 在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子,为受激辐射. 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次,相位的改变量正好是 2π的整数倍时,则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强,产 生谐振.达到一定强度后,就从部分反射镜M2透射出来,形成一束 笔直的激光. 当达到平衡时,受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得 的能量,恰好抵消所消耗的能量时,激光器即保持稳定的输出.
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3.1.1 激光器的工作原理
(4)粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键.
光纤通信
如设低能级上的粒子密度为N1,高能级上的粒子密度为N2,在 正常状态下, N1 > N2,总是受激吸收大于受激辐射.即在热平衡 条件下,物质不可能有光的放大作用. 要想物质产生光的放大,就必须使受激辐射大于受激吸收,即 使N2 > N1 (高能级上的电子数多于低能级上的电子数),这种粒 子数的反常态分布称为粒子(电子)数反转分布. 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件.
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3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
半导体激光器:是向半导体P-N结注入电流,实现粒子数
反转分布,产生受激辐射,再利用谐振腔的正反馈,实现光放 大而产生激光振荡输出激光.
1.激光器的物理基础
(1)光子的概念 光量子学说认为,光是由能量为hf 的光量子组成的,其中
h=6.628×1034 Js(焦耳秒),称为普朗克常数,f 是光波频
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3.1.1 激光器的工作原理
① 光学谐振腔的结构
光纤通信
在激活物质的两端的适当位置,放置两个反射系数分别为r1 和r2的平行反射镜M1和M2,就构成了最简单的光学谐振腔. 如果反射镜是平面镜,称为平面腔;如果反射镜是球面镜, 则称为球面腔,如图3-2所示.对于两个反射镜,要求其中一个 能全反射,另一个为部分反射.
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3.1.2 半导体激光器
光纤通信
图3-5 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构 n—InGaAsP是发光的作用区,其上,下两层称为限制层,它 们和作用区构成光学谐振腔.限制层和作用层之间形成异质结. 最下面一层n—InP是衬底,顶层P+—InGaAsP是接触层,其作用 是为了改善和金属电极的接触.
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3.1.1 激光器的工作原理
2.激光器的工作原理
激光器包括以下3个部分: 必须有产生激光的工作物质(激活物质);
光纤通信
必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源 (泵浦源); 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔. (1)产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质,称为激活物质或增益 物质,它是产生激光的必要条件.
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3.1.2 半导体激光器
(3)工作原理
光纤通信
用半导体材料做成的激光器,当激光器的P-N结上外加的正向 偏压足够大时,将使得P-N结的结区出现了高能级粒子多,低能级 粒子少的分布状态,这即是粒子数反转分布状态,这种状态将出现 受激辐射大于受激吸收的情况,可产生光的放大作用. 被放大的光在由P-N结构成的F-P光学谐振腔(谐振腔的两个反 射镜是由半导体材料的天然解理面形成的)中来回反射,不断增强, 当满足阈值条件后,即可发出激光.
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3.1.1 激光器的工作原理
(3)光与物质的三种作用形式
光纤通信
光与物质的相互作用,可以归结为光与原子的相互作用,将发 生受激吸收,自发辐射,受激辐射三种物理过程.如图3-1所示.
图3-1 能级和电子跃迁
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3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
① 在正常状态下,电子通常处于低能级(即基态)E1,在入射 光的作用下,电子吸收光子的能量后跃迁到高能级(即激发态)E2, 产生光电流,这种跃迁称为受激吸收——光电检测器. ② 处于高能级E2 上的电子是不稳定的,即使没有外界的作用, 也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合,释放的能量转换为光 子辐射出去,这种跃迁称为自发辐射——发光二极管. ③ 在高能级E2上的电子,受到能量为hf12的外来光子激发时,使 电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合,同时释放出一个与激光 发光同频率,同相位,同方向的光子(称为全同光子).由于这个 过程是在外来光子的激发下产生的,所以这种跃迁称为受激辐射— —激光器. 注:受激辐射光为相干光,自发辐射光是非相干光.
3.1.2 半导体激光器
光纤通信
随着驱动电流的增加,纵模模数逐渐减少,谱线宽度变窄.当 驱动电流足够大时,多纵模变为单纵模,这种激光器称为静态单纵 模激光器. 普通激光器工作在直流或低码速情况下,它具有良好的单纵模 谱线,所对应的光谱只有一根谱线,如图3-8(a)所示.而在高码 3-8 a 速调制情况下,其线谱呈现多纵模谱线.如图3-8(b)所示. 一般,用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器, 要得到高速数字调制的动态单纵模激光器,必须改变激光器的结构, 例如分布反馈半导体激光器(DFB-LD).
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3.1.2 半导体激光器
2.半导体激光器的工作特性
(1)发射波长
光纤通信
半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释 放出的能量,这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV),由式(3-1)得
hf = Eg (3-5) c f 式中, = ,f (Hz)和λ(m)分别为发射光的频率和波长, λ c=3×108m/s, h=6.628×1034 Js,leV=1.60×1019 J为电子伏
图3-6 典型半导体激光器的输出特性曲线
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3.1.2 半导体激光器
(3)光谱特性
光纤通信
LD的光谱随着激励电流的变化而变化.当I<Ith时,发出的是荧 光,光谱很宽,如图3-7(a)所示.当I> Ith后,发射光谱突然变 窄,谱线中心强度急剧增加,表明发出激光,如图3-7(b)所示.
图3-7 GaAlAs-GaAs激光器的光谱
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3.1.2 半导体激光器
光纤通信
图3-8 GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱
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3.1.2 半导体激光器
(4)转换效率
光纤通信
半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率ηd表示, 其定义为激光器达到阈值后,输出光子数的增量与注入电子数的增 量之比,其表达式为 ( P Pth ) / hf P Pth e ηd = = ( I I th ) / e I I th hf 由此得
率,人们将这些光量子称为光子. 当光与物质相互作用时,光子的能量作为一个整体被吸收或 发射.
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3.1.1 激光器的工作原理
(2)原子能级 有不同稳定状态的能级.
光纤通信
物质是由原子组成,而原子是由原子核和核外电子构成.原子 最低的能级E1 称为基态,能量比基态大的所有其他能级E
i
(i=2,3,4,…)都称为激发态.当电子从较高能级E2跃迁至较 低能级E1时,其能级间的能量差为E =E2E1,并以光子的形式释 放出来,这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式 E = E 2 E1 = hf 12 式中,h为普朗克常数,f 12 为吸收或辐射的光子频率. 当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量E =hf12的光照射时, 该能量被吸收,使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去. 光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象.
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3.1.2 半导体激光器
(LD),对LD的要求如下.
光纤通信
用半导体材料作为工作物质的激光器,称为半导体激光器 ① 光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口(即 0.85m,1.31m和1.55m). ② 能够在室温下长时间连续工作,并能提供足够的光输出功率. 目前LD的尾纤输出功率可达500W～2mW;LED的尾纤输出功率 可达10W左右. ③ 与光纤耦合效率高. ④ 光源的谱线宽度要窄.较好的LD的谱线宽度可达到0.1nm. ⑤ 寿命长,工作稳定.
光纤通信
第3章 通信用光器件
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第3章 通信用光器件
本章内容,重点和难点
本章内容 光源:半导体激光器和发光二极管. 光电检测器:PIN和APD光电二极管.
光纤通信
无源光器件:光连接器,光衰减器,光耦合器和光开关等. 本章重点 激光器的工作原理. 光源和光电检测器工作原理及其工作特性. 无源光器件的功能及主要性能. 本章难点 发光机理.
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3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
图3-3 激光器示意图
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3.1.1 激光器的工作原理
③ 光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为L,则谐振腔的谐振条件为
λ=
2nL q
= cq 2nL
光纤通信
(3-2) (3-3)
或
f =
c
λ
式中,c为光在真空中的速度,λ为激光波长,n为激活物质的折 射率,L为光学谐振腔的腔长,q=1,2,3…称为纵模模数. 谐振腔只对满足式(3-2)的光波波长或式(3-3)的光波频率 提供正反馈,使之在腔中互相加强产生谐振形成激光.
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第3章 通信用光器件
学习本章目的和要求
了解半导体激光器的物理基础.
光纤通信
掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性. 熟悉光源的驱动电路工作原理. 掌握光电检测器的工作原理及特性. 掌握无源光器件的功能及主要性能.
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3.1 光源
成光信号送入光纤.
光纤通信
光源器件:光纤通信设备的核心,其作用是将电信号转换 光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光 二极管两种. 半导体激光器(LD):适用于长距离大容量的光纤通信系 统.尤其是单纵模半导体激光器,在高速率,大容量的数字光 纤通信系统中得到广泛应用. 发光二极管(LED):适用于短距离,低码速的数字光纤 通信系统,或者是模拟光纤通信系统.其制造工艺简单,成本 低,可靠性好.
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3.1.1 激光器的工作原理
④ 起振的阈值条件
光纤通信
激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件.如 以G th表示阈值增益系数,则起振的阈值条件是
1 1 Gth = α + ln 2 L r1r 2
(3-4)
α为光学谐振腔内激活物质的损耗系数,L为光学谐振腔的腔长, r1,r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数.
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3.1.1 激光器的工作原理
(2)泵浦源
光纤通信
使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源,称为泵浦源. 物质在泵浦源的作用下,使得N2>N1,从而受激辐射大于受激 吸收,有光的放大作用.这时的工作物质已被激活,成为激活物质 或增益物质. (3)光学谐振腔 激活物质只能使光放大,只有把激活物质置于光学谐振腔中, 以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择,才能获得连续的 光放大和激光振荡输出. 激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件.
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3.1.2 半导体激光器
1.半导体激光器的基本结构和工作原理
光纤通信
有两种方式构成的激光器:F-P腔激光器和分布反馈型(DFB) 激光器.F-P腔激光器从结构上可分为3种,如图3-4所示.
图3-4 半导体激光器的结构示意图
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3.1.2 半导体激光器
(1)同质结半导体激光器. 其核心部分是一个P-N结,由结区发出激光.
光纤通信
缺点是阈值电流高,且不能在室温下连续工作,不能实用. (2)异质半导体激光器 异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种. 异质半导体激光器的"结"是由不同的半导体材料制成的,目 的是降低阈值电流,提高效率. 特点是对电子和光子产生限制作用,减少了注入电流,增加了 发光强度. 目前,光纤通信用的激光器大多采用如图3-5所示的铟镓砷磷 (InGaAsP)双异质结条形激光器.
特,代入式(3-5)得
1.24 λ= (m) (3-6) Eg (eV) 由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关,因此根据这个原
理可以制成不同发射波长的激光器.
22Βιβλιοθήκη Baidu
3.1.2 半导体激光器
(2)阈值特性
光纤通信
对于LD,当外加正向电流达到某一数值时,输出光功率急 剧增加,这时将产生激光振荡,这个电流称为阈值电流,用Ith 表示.如图3-6所示.阈值电流越小越好.
图3-2 光学谐振腔的结构
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② 谐振腔产生激光振荡过程 如图3-3所示,当工作物质在泵浦源的作用下,已实现粒子数反 转分布,即可产生自发辐射.如果自发辐射的方向不与光学谐振腔 轴线平行,就被反射出谐振腔.只有与谐振腔轴线平行的自发辐射 才能存在,继续前进. 当它遇到一个高能级上的粒子时,将使之感应产生受激跃迁, 在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子,为受激辐射. 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次,相位的改变量正好是 2π的整数倍时,则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强,产 生谐振.达到一定强度后,就从部分反射镜M2透射出来,形成一束 笔直的激光. 当达到平衡时,受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得 的能量,恰好抵消所消耗的能量时,激光器即保持稳定的输出.
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3.1.1 激光器的工作原理
(4)粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键.
光纤通信
如设低能级上的粒子密度为N1,高能级上的粒子密度为N2,在 正常状态下, N1 > N2,总是受激吸收大于受激辐射.即在热平衡 条件下,物质不可能有光的放大作用. 要想物质产生光的放大,就必须使受激辐射大于受激吸收,即 使N2 > N1 (高能级上的电子数多于低能级上的电子数),这种粒 子数的反常态分布称为粒子(电子)数反转分布. 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件.
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3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
半导体激光器:是向半导体P-N结注入电流,实现粒子数
反转分布,产生受激辐射,再利用谐振腔的正反馈,实现光放 大而产生激光振荡输出激光.
1.激光器的物理基础
(1)光子的概念 光量子学说认为,光是由能量为hf 的光量子组成的,其中
h=6.628×1034 Js(焦耳秒),称为普朗克常数,f 是光波频
11
3.1.1 激光器的工作原理
① 光学谐振腔的结构
光纤通信
在激活物质的两端的适当位置,放置两个反射系数分别为r1 和r2的平行反射镜M1和M2,就构成了最简单的光学谐振腔. 如果反射镜是平面镜,称为平面腔;如果反射镜是球面镜, 则称为球面腔,如图3-2所示.对于两个反射镜,要求其中一个 能全反射,另一个为部分反射.
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3.1.2 半导体激光器
光纤通信
图3-5 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构 n—InGaAsP是发光的作用区,其上,下两层称为限制层,它 们和作用区构成光学谐振腔.限制层和作用层之间形成异质结. 最下面一层n—InP是衬底,顶层P+—InGaAsP是接触层,其作用 是为了改善和金属电极的接触.
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3.1.1 激光器的工作原理
2.激光器的工作原理
激光器包括以下3个部分: 必须有产生激光的工作物质(激活物质);
光纤通信
必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源 (泵浦源); 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔. (1)产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质,称为激活物质或增益 物质,它是产生激光的必要条件.
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3.1.2 半导体激光器
(3)工作原理
光纤通信
用半导体材料做成的激光器,当激光器的P-N结上外加的正向 偏压足够大时,将使得P-N结的结区出现了高能级粒子多,低能级 粒子少的分布状态,这即是粒子数反转分布状态,这种状态将出现 受激辐射大于受激吸收的情况,可产生光的放大作用. 被放大的光在由P-N结构成的F-P光学谐振腔(谐振腔的两个反 射镜是由半导体材料的天然解理面形成的)中来回反射,不断增强, 当满足阈值条件后,即可发出激光.
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3.1.1 激光器的工作原理
(3)光与物质的三种作用形式
光纤通信
光与物质的相互作用,可以归结为光与原子的相互作用,将发 生受激吸收,自发辐射,受激辐射三种物理过程.如图3-1所示.
图3-1 能级和电子跃迁
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3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
① 在正常状态下,电子通常处于低能级(即基态)E1,在入射 光的作用下,电子吸收光子的能量后跃迁到高能级(即激发态)E2, 产生光电流,这种跃迁称为受激吸收——光电检测器. ② 处于高能级E2 上的电子是不稳定的,即使没有外界的作用, 也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合,释放的能量转换为光 子辐射出去,这种跃迁称为自发辐射——发光二极管. ③ 在高能级E2上的电子,受到能量为hf12的外来光子激发时,使 电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合,同时释放出一个与激光 发光同频率,同相位,同方向的光子(称为全同光子).由于这个 过程是在外来光子的激发下产生的,所以这种跃迁称为受激辐射— —激光器. 注:受激辐射光为相干光,自发辐射光是非相干光.